חומרים מוצקים הם אלה שמסוגלים ליצור גופים ובעלי נפח. הם שונים מנוזלים וגזים בצורתם. מוצקים שומרים על צורת הגוף בשל העובדה שחלקיקיהם אינם מסוגלים לנוע בחופשיות. הם נבדלים בצפיפותם, הפלסטיות, המוליכות החשמלית והצבע שלהם. יש להם גם תכונות אחרות. כך, למשל, רוב החומרים הללו נמסים במהלך החימום, ורוכשים מצב צבירה נוזלי. חלקם, כשהם מחוממים, הופכים מיד לגז (סובלימציה). אבל יש גם כאלה שמתפרקים לחומרים אחרים.
סוגי מוצקים
כל החומרים המוצקים מחולקים לשתי קבוצות.
- אמורפי, שבו חלקיקים בודדים מסודרים באופן אקראי. במילים אחרות: אין להם מבנה ברור (מוגדר). מוצקים אלו מסוגלים להתמוסס בטווח טמפרטורות מוגדר.הנפוצים שבהם כוללים זכוכית ושרף.
- גבישי, שבתורו, מחולקים ל-4 סוגים: אטומי, מולקולרי, יוני, מתכתי. בהם, החלקיקים ממוקמים רק על פי תבנית מסוימת, כלומר בצמתים של סריג הגביש. הגיאומטריה שלו בחומרים שונים יכולה להשתנות מאוד.
חומרים גבישיים מוצקים גוברים על האמורפיים במספרם.
סוגי מוצקים גבישיים
במצב מוצק, כמעט לכל החומרים יש מבנה גבישי. הם שונים במבנה שלהם. סריג קריסטל בצמתים שלהם מכילים חלקיקים שונים ויסודות כימיים. בהתאם להם הם קיבלו את שמותיהם. לכל סוג יש מאפיינים ספציפיים לו:
- בסריג הגביש האטומי, חלקיקים של מוצק קשורים בקשר קוולנטי. הוא בולט בעמידותו. בשל כך, לחומרים כאלה יש נקודת התכה ורתיחה גבוהה. סוג זה כולל קוורץ ויהלום.
- בסריג הגביש המולקולרי, הקשר בין חלקיקים נבדל בחולשתו. חומרים מסוג זה מאופיינים בקלות הרתחה והמסה. הם נדיפים, שבגללם יש להם ריח מסוים. מוצקים אלה כוללים קרח וסוכר. תנועות מולקולות במוצקים מסוג זה נבדלות בפעילותן.
- בסריג הגביש היוני בצמתים, החלקיקים המתאימים מתחלפים, טעונים באופן חיובישלילי. הם מוחזקים יחד על ידי משיכה אלקטרוסטטית. סוג זה של סריג קיים באלקליות, מלחים, תחמוצות בסיסיות. חומרים רבים מסוג זה מסיסים בקלות במים. בשל הקשר החזק למדי בין היונים, הם חסינים. כמעט כולם חסרי ריח, שכן הם מאופיינים בחוסר תנודות. חומרים בעלי סריג יוני אינם מסוגלים להוליך זרם חשמלי, מכיוון שהם אינם מכילים אלקטרונים חופשיים. דוגמה טיפוסית למוצק יוני הוא מלח שולחן. סריג קריסטל כזה הופך אותו לשביר. זאת בשל העובדה שכל תזוזה בו יכולה להוביל להופעת כוחות דחיית יונים.
- בסריג גבישי המתכת בצמתים יש רק יונים כימיים בעלי מטען חיובי. ביניהם יש אלקטרונים חופשיים שדרכם עוברת אנרגיה תרמית וחשמלית בצורה מושלמת. זו הסיבה שכל מתכות נבדלות על ידי תכונה כמו מוליכות.
מושגים כלליים של גוף נוקשה
מוצקים וחומרים הם כמעט אותו דבר. מונחים אלה מתייחסים לאחד מארבעת מצבי הצבירה. למוצקים יש צורה יציבה ואופי התנועה התרמית של אטומים. יתר על כן, האחרונים מבצעים תנודות קטנות ליד עמדות שיווי המשקל. ענף המדע העוסק בחקר ההרכב והמבנה הפנימי נקרא פיזיקת המצב המוצק. ישנם תחומי ידע חשובים נוספים העוסקים בחומרים כאלה. השינוי בצורה תחת השפעות ותנועה חיצוניות נקרא המכניקה של גוף שניתן לעיוות.
בשל התכונות השונות של מוצקים, הם מצאו יישום במכשירים טכניים שונים שנוצרו על ידי האדם. לרוב, השימוש בהם התבסס על תכונות כגון קשיות, נפח, מסה, גמישות, פלסטיות, שבריריות. המדע המודרני מאפשר שימוש באיכויות אחרות של מוצקים שניתן למצוא רק במעבדה.
מהם קריסטלים
גבישים הם גופים מוצקים עם חלקיקים מסודרים בסדר מסוים. לכל חומר כימי יש מבנה משלו. האטומים שלו יוצרים סידור מחזורי תלת מימדי הנקרא סריג הגביש. למוצקים יש סימטריות מבניות שונות. המצב הגבישי של מוצק נחשב ליציב מכיוון שיש לו כמות מינימלית של אנרגיה פוטנציאלית.
הרוב המכריע של חומרים מוצקים (טבעיים) מורכב ממספר עצום של גרגרים בודדים בעלי אוריינטציה אקראית (גבישים). חומרים כאלה נקראים polycrystalline. אלה כוללים סגסוגות טכניות ומתכות, כמו גם סלעים רבים. מונו-גביש מתייחס לגבישים טבעיים או סינתטיים בודדים.
לרוב, מוצקים כאלה נוצרים ממצב הפאזה הנוזלית, המיוצג על ידי נמס או תמיסה. לפעמים הם מתקבלים מהמצב הגזי. תהליך זה נקרא התגבשות. הודות להתקדמות מדעית וטכנולוגית, הליך הגידול (סינתזה) של חומרים שונים זכה לקנה מידה תעשייתי. לרוב הגבישים יש צורה טבעית בצורה של רגילpolyhedra. הגדלים שלהם שונים מאוד. אז, קוורץ טבעי (גביש סלע) יכול לשקול עד מאות קילוגרמים, ויהלומים - עד כמה גרמים.
במוצקים אמורפיים, אטומים נמצאים בתנודה מתמדת סביב נקודות הממוקמות באקראי. הם שומרים על סדר מסוים לטווח קצר, אבל אין סדר לטווח ארוך. זאת בשל העובדה שהמולקולות שלהם ממוקמות במרחק שניתן להשוות לגודלן. הדוגמה הנפוצה ביותר למוצק כזה בחיינו היא המצב הזכוכיתי. חומרים אמורפיים נחשבים לרוב כנוזל בעל צמיגות גבוהה לאין שיעור. זמן ההתגבשות שלהם הוא לפעמים כל כך ארוך עד שהוא לא מופיע בכלל.
המאפיינים שלעיל של חומרים אלה הם שהופכים אותם לייחודיים. מוצקים אמורפיים נחשבים לא יציבים מכיוון שהם יכולים להפוך לגבישים עם הזמן.
המולקולות והאטומים המרכיבים מוצק ארוזים בצפיפות גבוהה. הם שומרים למעשה על מיקומם ההדדי ביחס לחלקיקים אחרים ומוחזקים יחד עקב אינטראקציה בין-מולקולרית. המרחק בין המולקולות של מוצק בכיוונים שונים נקרא פרמטר הסריג. מבנה החומר והסימטריה שלו קובעים תכונות רבות, כגון פס האלקטרונים, מחשוף ואופטיקה. כאשר כוח גדול מספיק מופעל על מוצק, תכונות אלו יכולות להיות מופרות במידה זו או אחרת. במקרה זה, הגוף המוצק נתון לעיוות קבוע.
אטומים של מוצקים מבצעים תנועות תנודות, שקובעות את החזקתם באנרגיה תרמית. מכיוון שהם זניחים, ניתן לצפות בהם רק בתנאי מעבדה. המבנה המולקולרי של מוצק משפיע מאוד על תכונותיו.
מחקר מוצקים
תכונות, תכונות של חומרים אלה, איכויותיהם ותנועת החלקיקים נחקרים על ידי תת-סעיפים שונים של פיזיקת המצב המוצק.
למחקר משמשים: רדיוספקטרוסקופיה, ניתוח מבני באמצעות צילומי רנטגן ושיטות אחרות. כך חוקרים את התכונות המכניות, הפיזיקליות והתרמיות של מוצקים. קשיות, עמידות בעומס, חוזק מתיחה, טרנספורמציות פאזה נלמדות על ידי מדעי החומרים. זה מהדהד במידה רבה את הפיזיקה של המצב המוצק. יש עוד מדע מודרני חשוב. חקר הקיימים והסינתזה של חומרים חדשים מתבצעים על ידי כימיה של מצב מוצק.
תכונות של מוצקים
אופי התנועה של האלקטרונים החיצוניים של האטומים של מוצק קובע רבות מתכונותיו, למשל, חשמל. יש 5 כיתות של גופים כאלה. הם מוגדרים בהתאם לסוג הקשר האטומי:
- יוני, המאפיין העיקרי שלה הוא כוח המשיכה האלקטרוסטטית. תכונותיו: השתקפות ובליטת אור באזור האינפרא אדום. בטמפרטורות נמוכות, הקשר היוני מאופיין במוליכות חשמלית נמוכה. דוגמה לחומר כזה הוא מלח הנתרן של חומצה הידרוכלורית (NaCl).
- קוולנטי,מבוצע על ידי זוג אלקטרונים השייך לשני האטומים. קשר כזה מתחלק ל: יחיד (פשוט), כפול ומשולש. שמות אלו מצביעים על נוכחותם של זוגות אלקטרונים (1, 2, 3). קשרים כפולים ומשולשים נקראים קשרים מרובים. ישנה חלוקה נוספת של הקבוצה הזו. אז, בהתאם להתפלגות של צפיפות האלקטרונים, נבדלים קשרים קוטביים ולא קוטביים. הראשון נוצר על ידי אטומים שונים, והשני זהה. מצב מוצק כזה של חומר, שדוגמאות לו הם יהלום (C) וסיליקון (Si), נבדל בצפיפות שלו. הגבישים הקשים ביותר שייכים במיוחד לקשר הקוולנטי.
- מתכתי, נוצר על ידי שילוב של אלקטרוני הערכיות של אטומים. כתוצאה מכך, מופיע ענן אלקטרוני נפוץ, אשר נעקר בהשפעת מתח חשמלי. קשר מתכתי נוצר כאשר האטומים המחוברים גדולים. הם מסוגלים לתרום אלקטרונים. במתכות רבות ובתרכובות מורכבות, קשר זה יוצר מצב מוצק של חומר. דוגמאות: נתרן, בריום, אלומיניום, נחושת, זהב. מבין התרכובות הלא מתכתיות, ניתן לציין את הדברים הבאים: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. חומרים בעלי קשר מתכתי (מתכות) מגוונים בתכונותיהם הפיזיקליות. הם יכולים להיות נוזליים (Hg), רכים (Na, K), קשים מאוד (W, Nb).
- מולקולרית, הנובעת בגבישים, שנוצרים על ידי מולקולות בודדות של חומר. הוא מאופיין בפערים בין מולקולות בעלות צפיפות אלקטרונים אפס. הכוחות הקושרים אטומים בגבישים כאלה הם משמעותיים. המולקולות נמשכותזה לזה רק על ידי משיכה בין מולקולרית חלשה. לכן הקשרים ביניהם נהרסים בקלות בחימום. קשה הרבה יותר לשבור את הקשרים בין אטומים. קשר מולקולרי מתחלק לכיוון, פיזור ואינדוקטיבי. דוגמה לחומר כזה היא מתאן מוצק.
- מימן, המתרחש בין האטומים המקוטבים באופן חיובי של מולקולה או חלקה לבין החלקיק המקוטב השלילי הקטן ביותר של מולקולה אחרת או חלק אחר. איגרות חוב אלה כוללות קרח.
מאפיינים של מוצקים
מה אנחנו יודעים היום? מדענים חקרו זמן רב את תכונות המצב המוצק של החומר. כאשר נחשפים לטמפרטורה, זה גם משתנה. המעבר של גוף כזה לנוזל נקרא התכה. הפיכת מוצק למצב גזי נקראת סובלימציה. כאשר הטמפרטורה יורדת, מתרחשת התגבשות המוצק. חלק מהחומרים בהשפעת הקור עוברים לשלב האמורפי. מדענים קוראים לתהליך הזה זיגוג.
במהלך מעברי פאזה, המבנה הפנימי של מוצקים משתנה. הוא מקבל את הסדר הגדול ביותר עם ירידה בטמפרטורה. בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורה T > 0 K, כל החומרים הקיימים בטבע מתמצקים. רק הליום, שדורש לחץ של 24 אטמוספירות כדי להתגבש, הוא חריג לכלל זה.
המצב המוצק של החומר נותן לו תכונות פיזיקליות שונות. הם מאפיינים את ההתנהגות הספציפית של גופיםבהשפעת שדות וכוחות מסוימים. נכסים אלו מחולקים לקבוצות. ישנן 3 דרכי חשיפה, המתאימות ל-3 סוגי אנרגיה (מכנית, תרמית, אלקטרומגנטית). בהתאם לכך, קיימות 3 קבוצות של תכונות פיזיקליות של מוצקים:
- מאפיינים מכניים הקשורים ללחץ ומתח של הגוף. על פי קריטריונים אלו, מוצקים מחולקים לאלסטיות, ריאולוגיות, חוזקות וטכנולוגיות. במצב מנוחה, גוף כזה שומר על צורתו, אך הוא יכול להשתנות תחת פעולת כוח חיצוני. יחד עם זאת, העיוות שלו יכול להיות פלסטי (הצורה הראשונית לא חוזרת), אלסטית (חוזרת לצורתה המקורית) או הרסנית (כאשר מגיעים לסף מסוים מתרחשת ריקבון/שבר). התגובה לכוח המופעל מתוארת על ידי מודולי האלסטיות. גוף מוצק מתנגד לא רק לדחיסה, מתיחה, אלא גם לתזוזות, פיתול וכיפוף. החוזק של גוף מוצק הוא תכונתו להתנגד להרס.
- תרמית, מתבטאת בחשיפה לשדות תרמיים. אחת התכונות החשובות ביותר היא נקודת ההיתוך שבה הגוף עובר למצב נוזלי. הוא נצפה במוצקים גבישיים. לגופים אמורפיים יש חום היתוך סמוי, שכן המעבר שלהם למצב נוזלי עם עליית הטמפרטורה מתרחש בהדרגה. בהגיעו לחום מסוים, הגוף האמורפי מאבד מגמישותו ורוכש פלסטיות. מצב זה אומר שהוא הגיע לטמפרטורת מעבר הזכוכית. כאשר מחומם, מתרחשת העיוות של המוצק. ורוב הזמן זה מתרחב. מבחינה כמותית זההמדינה מאופיינת במקדם מסוים. טמפרטורת הגוף משפיעה על תכונות מכניות כגון נזילות, משיכות, קשיות וחוזק.
- אלקטרומגנטי, הקשור להשפעה על חומר מוצק של זרימות של מיקרו-חלקיקים וגלים אלקטרומגנטיים בעלי קשיחות גבוהה. מאפייני קרינה מופנים אליהם גם באופן מותנה.
מבנה אזור
מוצקים מסווגים גם לפי מה שנקרא מבנה הלהקה. אז, ביניהם הם מבחינים:
- מוליכים, מאופיינים בכך שרצועות ההולכה והערכיות שלהם חופפות. במקרה זה, אלקטרונים יכולים לנוע ביניהם, ולקבל את האנרגיה הקלה ביותר. כל המתכות הן מוליכות. כאשר מופעל הפרש פוטנציאל על גוף כזה, נוצר זרם חשמלי (עקב תנועה חופשית של אלקטרונים בין נקודות בעלות הפוטנציאל הנמוך והגבוה ביותר).
- דיאלקטריים שהאזורים שלהם אינם חופפים. המרווח ביניהם עולה על 4 eV. יש צורך באנרגיה רבה כדי להוביל אלקטרונים מהערכיות לפס ההולכה. בשל תכונות אלה, דיאלקטריים כמעט אינם מוליכים זרם.
- מוליכים למחצה המאופיינים בהיעדר פסי הולכה וערכיות. המרווח ביניהם הוא פחות מ-4 eV. כדי להעביר אלקטרונים מהערכיות לפס ההולכה, יש צורך בפחות אנרגיה מאשר עבור דיאלקטריות. מוליכים למחצה טהורים (לא מסומנים ומקוריים) אינם מעבירים זרם טוב.
התנועות של מולקולות במוצקים קובעות את התכונות האלקטרומגנטיות שלהן.
אחרנכסים
גופים מוצקים מחולקים גם הם לפי התכונות המגנטיות שלהם. ישנן שלוש קבוצות:
- Diamagnets, שתכונותיהם תלויות מעט בטמפרטורה או במצב הצבירה.
- פרמגנטים הנובעים מכיוון של אלקטרוני הולכה ומומנטים מגנטיים של אטומים. לפי חוק קירי, הרגישות שלהם יורדת ביחס לטמפרטורה. אז, ב-300 K זה 10-5.
- גופים בעלי מבנה מגנטי מסודר, עם סדר ארוך טווח של אטומים. בצמתים של הסריג שלהם, חלקיקים בעלי מומנטים מגנטיים ממוקמים מעת לעת. מוצקים וחומרים כאלה משמשים לעתים קרובות בתחומים שונים של פעילות אנושית.
החומרים הכי קשים בטבע
מה הם? צפיפות המוצקים קובעת במידה רבה את קשיותם. בשנים האחרונות גילו מדענים כמה חומרים המתיימרים להיות "הגוף העמיד ביותר". החומר הקשה ביותר הוא פולריט (גביש עם מולקולות פולרן), שקשה לו בערך פי 1.5 מיהלום. למרבה הצער, הוא זמין כרגע רק בכמויות קטנות במיוחד.
היום, החומר הקשה ביותר שעשוי לשמש בעתיד בתעשייה הוא lonsdaleite (יהלום משושה). זה קשה ב-58% מיהלום. Lonsdaleite הוא שינוי אלוטרופי של פחמן. סריג הקריסטל שלו דומה מאוד ליהלום. תא לונסדלייט מכיל 4 אטומים, בעוד שיהלום מכיל 8. מבין הגבישים הנפוצים, היהלום נותר הקשה ביותר כיום.
